智能型综采支架工作阻力监测系统

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[摘 要]我国煤矿安全事故频繁发生，针对目前综采支架工作阻力监测设备测量精度低、工作效率低下等技术问题，设计了一种基于AT89S52单片机和红外数据采集技术的智能型综采支架工作阻力监测系统。系统主要由压力数据采集装置和上位机智能化分析软件两部分组成，可实现支架工作阻力的实时在线监测、图表显示、数据分析等功能，为事故的预防和顶板安全管理提供可靠依据及决策分析，对保障矿井安全高效开采具有重要意义。

[关键词]智能 液压支架 工作阻力 红外数据采集

中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0283-01

引言

煤炭是我国最重要的一次性能源，对国家经济发展起着尤为重要的作用[1]。随着综合机械化采煤工艺的产生和发展，进一步保障和促进了煤炭行业的安全高效开采，但工作面条件特殊，环境恶劣，且时有安全事故发生。早在1987年原煤炭工业部颁发的《煤炭工业技术政策》第39条“矿山压力测量”中规定[2]：“各矿区对采煤工作面和井巷进行矿压观测，并根据岩层性质、顶板压力、顶板下沉量和下沉速度、放顶步距、周期来压等数据，掌握本矿区的矿压规律，为采区设计、巷道布置、设备选型、支护设计、顶板控制的依据[3-5]。”目前国内矿井对支架工作阻力监测共有两种方式：一是需人工记录数据的传统机械式液压测量仪表[6]，具有测量精度低、误差大、读数困难等缺点；二是通过专用电缆或电话线传输的压力监测系统[7]，虽然可连续工作且逐步取代人工读数方式，但存在系统配置复杂、兼容性差、布线和维护困难等缺陷。为此，本文在前人研究的基础上，基于AT89S52单片机和红外数据采集技术，设计一种测量精度高、工作性能优良的智能型综采支架工作阻力监测系统。

1 系统整体设计方案

本文选用AT89S52作为主芯片，AT89S52是51系列里面一款性价比最高的单片机，该单片机拥有3个定时器，8K的程序存储空间，具有超低功耗，多级休眠工作模式，模块较多和价格适中等特点，适合井下使用环境中低成本、低功耗的要求。

1.1 系统硬件组成及其功能

该系统主要进行支架阻力的数据采集、存储和红外传输。因此，硬件电路模块的组成包括电源监控电路、压力传感器信号转换电路、红外数据传输电路、压力数据存储电路和压力数据实时显示电路。

电源监控电路采用微芯公司生产的低功耗PIC单片机系列PIC16F716芯片作为系统监控核心，采用32.768k的低频率晶振，该模块每隔10分钟给系统供电一次，让主控芯片进行一次压力采集并存储。同时该模块受到触发时也会给系统供电进行采样同时把采样的值实时显示在数码管上。信号放大采样电路采用低噪声、低漂流、高共模抑制比的小信号放大芯片电路[8]，信号放大后经过TLC549采样，采样精度达0.6%。存储、显示电路将采集的压力同时间格式化保存到铁电存储芯片中[9]，采用低功耗的74LS164移位寄存器对数据进行静态显示，显示时间为一路2秒钟。

1.2 红外采集模块

红外传输电路主要包括红外发送和红外接收模块。红外发送主要负责将数据通过38k载波调制发送到采集设备便于数据整理分析；红外接收模块采用低噪声、高稳定性的红外接收集成芯片CX20106A进行采集器上面的红外数据接收和压力采集终端上面的接收请求。红外数据发射模块的工作流程图如下图1所示。

1.3 系统主要功能

（1）由电脑控制定时采集各点压力传感器的压力信号，系统默认采集压力数据的时间为5分钟，且可以连续记录7天的数据；

（2）收到白光照射时可以实时显示当前支柱的压力；

（3）采用红外无线通讯将数据上传到手持采集终端便于数据整理分析；

（4）压力采集器在掉电时数据保护不丢失；

（5）可以对指定的采集层面进行原始压力数据查询；

（6）通过对工作阻力的均方差、初撑力、末阻力曲线的对比分析对压力数据进行图表曲线显示；

（7）可以对压力数据库进行智能化管理包括数据备份、数据恢复和数据删除等基本操作。

2 软件系统设计

该智能分析软件系统的主要功能有对工作系统进行初始化设置、串口红外线接收压力数据、图表显示和分析处理各个采集层面压力数据、数据库备份、恢复和删除等操作。

当第一次运行上位机智能分析软件时，首先要进行系统设置，设置包括煤矿的基本信息和压力采集终端的分布结构，安全范围等等。采集适配器将采集到的红外数据通过串口上传到应用程序，根据程序中设置合适的通信波特率，同时选择要采集的工作面，这样便可将数据存储到指定的工作表中。数据管理包括原始压力数据库的备份、恢复和删除操作。数据查询、曲线分析是本系统的核心，数据查询可以按照一定的时间间隔要求查询指定采集层面的原始压力数据，曲线分析通过4种不同曲线图表从不同的角度去分析一段时间内压力变化趋势，便于采取可行的预防措施。

3 结论

针对我国目前的综采支架工作阻力监测仪器的缺点，提出一种基于AT89S52单片机和红外数据采集技术的智能型综采支架工作阻力监测系统软硬件整体设计方案，并对煤矿压力数据采集装置和智能分析软件两个主要部分进行说明。整个系统采用单片机控制实现对测量压力数据的红外发送，并能够实现对采集到的数据进行显示、存储、分析处理等功能，为事故的预防和顶板安全管理提供可靠依据及决策分析，对保障矿井安全高效开采具有重要意义。

参考文献

[1] 梁晓丹.中国煤炭工业将面临根本性变革困[N].北京：中国矿业报，2007，（14）.

[2] 周楚良.矿山压力实测技术[M].中国矿业大学出版社，1988.

[3] 中华人民共和国国家安全生产监督管理总局，煤矿安全生产“十一五”规划（草案），2006.4

[4] 陈锦强，李琨，基于工业以太网的煤矿井下数据采集分站的设计.中国矿山工程，2005.35（4）： 22-24

[5] 张保奎.煤矿安全监控系统数据集成方式研究，（硕士学位论文）西安：西安科技大学，2006

[6] 薛智勇.液压支架动态检测与控制系统研究[D].太原：太原理工大学，2003.

[7] 杨世兴.煤矿监测监控系统的现状与发展[J].安防科技，2004，（5）：39-41.

[8] 国家质量技术监督局，中华人民共和国国家计量检定规程普通压力JJG529-1999，北京：中国计量出版社，2000年.

[9] 窦振中，汪立森.PIC 系列单片机应用设计和实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

作者简介

高 睿（1982-），女，陕西榆林人，2004年毕业于西安科技大学，工程师，从事煤矿机电管理工作。